平面式高功率信号放大器设计

刘荣军++李保林

摘要：氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）具有高功率密度、高效率和高工作温度的优异特性，在电子装备和武器系统中具有广泛应用。随着以固态功放为核心的有源阵面的不断增加，高效率，高功率，小型化的功率放大器成为未来有源相控阵雷达的首选功率器件。本文通过采用新颖的偏置电路实现了一款便于T/R组件内部集成的平面式、小型化、高效率GaN内匹配功率放大器，经测试，在3.1-3.4GHz带宽内，连续波输出可达80W以上，附加效率≥65%，功率增益≥12dB，外形尺寸仅有15mm*6.6mm*0.8mm。经过射频加速寿命试验及多批次系统联机测试，该产品完全满足相控阵雷达系统的使用要求。

关键词：GaN HEMT；平面式；内匹配；高效率；偏置电路

中图分类号：TN454 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0207-03

Abstract：With the excellent characteristics of high power density， high working efficiency and high operating temperature， the GaN high electron mobility transistor （HEMT） is widely used in military electronic equipment and weapon system. As the increases of active array based on the solid-state power amplifier （PA）， high power， high efficiency and pint-sized power amplifier will be the principal choice in active phased array radar（APAR）， In this paper， a novel bias circuit was proposed to realize a complanate， miniaturized and high efficiency internal matched GaN power amplifier， which can be easily integrated in T/R modules. The experiment results show that the maximum output power is more than 80 W， the power added efficiency is more than 65% and the power gain is greater than 12 dB across the band of 3.1-3.4 GHz. The external dimensions of the device is only 15 mm*6.6 mm*0.8 mm. By RF accelerated life test and multi-batch on line test， the products completely meet the requirements of the APAR.

Key Words：GaN HEMT； Complanate； Internally Matched； High Efficiency； Bias Circuit

宽禁带材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，成为制作大功率、高频、高压、高温及抗辐照电子器件的理想材料。近年来，SiC单晶生长技术和GaN异质结外延技术的不断成熟，宽禁带功率半导体器件的研制和应用得到迅速发展。随着有源相控阵雷达阵面的增加，整机单位对T/R组件核心器件GaN功率放大器的小型化，高效率等指标要求越来越高[1-4]。

针对GaN功率放大器的小型化和高效率需求，本文通过采用新颖的偏置电路及平面式设计，解决了传统电路体积大、损耗大的技术难题，实现了一款便于TR组件内部集成的平面式功率放大器。文章首先介绍了功率管中所用到的GaN管芯，然后论述了平面式功率放大器的匹配电路设计、直流偏置设计、工艺实现、微波性能及功率管的可靠性试验[5-6]。

1 GaN場效应晶体管芯

本文设计的功率放大器采用自主研制的GaN管芯（见图1）进行两胞合成，管芯通过金锡焊料直接烧结在金属载体片中实现的良好散热，并通过金丝与匹配元件进行互联，在+28V电压下，每毫米栅宽功率密度可达3W以上。

2 平面式功率放大器的设计及实现

本文基于管芯的参数模型设计了偏置电路及输入输出匹配网络，将GaN晶体管的输入输出阻抗匹配到50欧姆。

匹配电路通常采用“T”型LCL低通滤波网络[7]将晶体管的输入输出阻抗转换为实数阻抗，其中键合引线电感在满足电路匹配的同时实现器件和微带电路的电气互连。由于键合线不仅是微波通路，更是直流通路，一根键合线的承受电流能力有限，因此电感L通常由n根键合引线实现。

电容C为高阶陶瓷平板电容，常用作电容的介质有A12O3、SiO2、Si3N4及GaAs等，电容的长度为a，宽度为b，t为电容介质厚度，容量C的计算公式[8]为：

在通用的电容值范围，修正常数k一般在1.2～1.8范围内，a和b越小，t越大，k的值通常也越大。

输入输出网络中的功分器采用微带结构，在实现阻抗变换的同时实现微波信号的功分输入及功率合成输出。本文的介质基板选用介电常数为9.9厚度为0.254mm的氧化铝陶瓷。

理想的直流偏置电路应该是相对端口阻抗呈现高阻状态，且带线越细阻抗越高，扼流效果越好。传统内匹配功率放大器（如图2）直流偏置电路通常是在50欧姆端口处采用1/4波长线与扇形线或对地短路电容相结合的方法实现，该方式存在扼流线过长的问题。为实现良好的扼流效果，同时实现小型化设计，本文对传统的直流偏置电路进行了改进，采用在阻抗较低的位置进行直流偏置设计，同时将偏置电路参与电路的匹配，将偏置电路的尺寸缩小为原来的1/2，整个电路的拓扑结构如图3所示[9]。

整个功率模块的匹配电路通过微组装工艺集成在长度为15mm，宽度为6.6mm，厚度为0.5mm的钼铜载体上（如图4），钼铜具有良好的导热性能以及与GaN管芯相近的热膨胀系数。

平面式设计突破了以往金属陶瓷管壳与微组装工艺不兼容的使用限制，使得功率器件可以与其它元器件同烧结，共键合。小型化平面式设计在大型相控阵雷达T/R组件中拥有封装功率器件无法比拟的应用前景[10]。

3 测试结果及可靠性验证

以如图5所示建立微波大功率测试系统，被测器件的输入功率通过耦合器进行实时监测，输出信号经过大功率衰减器进入功率计[11]。

经测试，在栅压为-5V，漏压为+28V工作电压下，3.1-3.4GHz频段内放大器输出功率≥80W，功率增益≥12dB，功率附加效率≥65%，部分频点功率附加效率甚至超过70%。图6为输出功率和功率附加效率随频率的测试曲线，图7为功率增益随频率的测试曲线。

我们对该款GaN功率放大器进行了多批次的红外热阻测试，并率先开展了相关的射频加速寿命试验工作。自制的脉冲信号源经过耦合器后进行四路功分分别为密封在盒体中的GaN功率放大器提供所需的激励功率，系统实时监测输入输出功率变化。试验条件为：脉宽1ms，占空比90%，输入功率5W，加热台温度110℃。

四只功率管在高温加电500小时后进行了电性能复测，结果显示：射频输出功率下降<0.3dB、漏极电流最大变化量<1%，其它指标均无明显变化。该试验充分证明，本文研制的平面式GaN功率放大器具有耐高溫，高可靠性等优点，该产品满足相控阵雷达系统的工程化使用要求[12]。

4 结语

采用新颖的直流偏置电路设计，研制出一种S波段平面式GaN功率放大器，在3.1-3.4GHz带宽内，实现了连续波输出功率Pout ≥80W，功率附加效率PAE≥65%，功率增益≥12dB，经过多批次的装配测试及射频加速寿命试验，本文研制的小型化平面式功率放大器具有耐高温，高功率，高效率，高成品率，高可靠性，方便集成等特点。高功率器件的平面化设计将是未来T/R组件小型化的首要选择，该产品将在微波通信、相控阵雷达等系统中得到广泛应用。

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